【正文】 0. 1C 130. 19VG N DC 1210 00 UC 1047 0UC 1516 V \ 22 0uL168 U HC 140. 1u12 V 圖 319 9V供電電路 第一組電源通過(guò)三端穩(wěn)壓器 7805 穩(wěn)壓后給單片機(jī)和其它電路供電，另外一組電源經(jīng) 7809 穩(wěn)壓后給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 供電，考慮到模塊間的相互干擾問(wèn)題，兩個(gè)電源之間還添加了隔離措施，這樣有效的解決了驅(qū)動(dòng)電路會(huì)對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 電源模塊的設(shè)計(jì) 智能小車(chē)的供電設(shè)施是一塊充電電池，它有 低成本 ， 循環(huán)壽命長(zhǎng) ， 無(wú)污染 ，安全性能好 ， 溫度使用范圍廣 等特點(diǎn)。但光電開(kāi) 關(guān)直接輸出的信號(hào)并不理想，為了使光電開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)數(shù)字化，提高抗噪聲能力，應(yīng)用施密特觸發(fā)器。如果接收端使用的是 PNP型光敏三極管，則采用電路 C。因此，可以從高阻值的電阻開(kāi)始選用 (約 1 kΩ )，當(dāng)發(fā)生誤差信號(hào)問(wèn)題時(shí)，只需將電阻值下調(diào)。與反射式光電開(kāi)關(guān)不同的是，在這里 LED 管的亮度不需要很高。 圖 317 經(jīng)施密特觸發(fā)器的光電開(kāi)關(guān)外圍電路 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車(chē)設(shè)計(jì) 23 電路 A為傳感器的發(fā)射端提供了限流電阻 R1。 LED(發(fā)射端 )的出射光照射到一小段距離之外的光敏三極管 (接收端 )上，傳感器的狀態(tài)隨出射光是否被遮擋而改變。光柵編碼器由光柵盤(pán)和光柵式光電開(kāi)關(guān)組成。 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車(chē)設(shè)計(jì) 22 圖 316 超聲波檢測(cè)電路 速度檢測(cè)模塊 采用光電編碼器對(duì)驅(qū)動(dòng)輪后輪的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測(cè)，將反饋信號(hào)輸入核心控制單元，并進(jìn) 行處理，從而對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速、加減速進(jìn)行準(zhǔn)確快速的調(diào)節(jié)。此信號(hào)被物體反射回來(lái)由接收頭接收，接收頭實(shí)質(zhì)上是一種壓電效應(yīng)的換能器。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)的時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響基于 80C51 單片機(jī)的智能小車(chē)設(shè)計(jì) 21 信號(hào)。 如此不斷的 循環(huán) 測(cè) 量 ,就可以達(dá)到移動(dòng)測(cè)量 的 目的了。在程序中先用指令產(chǎn)生 一個(gè) 持續(xù)時(shí)間 20us 的 低 電平 脈沖 ,就可以在接收口Echo 等待高電平輸出 。 超聲波測(cè)距模塊與單片機(jī)相連的接線方法 把單片機(jī)的 P2 口的第四位定義為 Trig 位，單片機(jī)的 P3 口的第二位定義為Echo 位，然后單片機(jī)的引腳就可以直接用杜邦線接在超聲波傳感器的相應(yīng)引腳上。但是此模塊應(yīng)先插好在電路板上再通電，避免產(chǎn)生高電平的誤動(dòng)作，如果產(chǎn)生了，重新通 電方可解決。 主要技術(shù)參數(shù) 如表 32所示 表 32 HC— SR04 超聲波測(cè)距模塊 參數(shù) 實(shí)物圖 如圖 313 所示， 板上 各引腳 的含義： VCC供 5v 電源 、 Trig 觸發(fā)控制信號(hào)輸入 、 Echo 回響信號(hào)輸出 、 out（空腳）、 GND 為地線。能和國(guó)外的 SRF05,SRF02 等超聲波測(cè)距模塊相媲美。 圖 312 電機(jī) 反 轉(zhuǎn) 示意圖 HC— SR04 超聲波測(cè)距模塊 模塊特點(diǎn) HC— SR04 超聲波測(cè)距模塊可提供 2cm400cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。每個(gè) H 橋電路原理大體如圖 310所示： 圖 310 H橋電路圖 表 31輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系 IN1(IN3) IN2(IN4) 電機(jī)運(yùn)行情況 1 0 正轉(zhuǎn) 0 1 反轉(zhuǎn) 1 1 剎車(chē) 0 0 停止 若 H 橋的 1端為低電平， 2端為高電平時(shí)，三極管 Q4導(dǎo)通， Q1 截止，此時(shí)Q3 的基極為低電平， Q2 的基極為高電平，因此三極管 Q2 和 Q6 導(dǎo)通， Q3 和 Q5截止，電流流向如圖 311所示，電機(jī)正轉(zhuǎn)。操作非常方便，能滿足直流減速電機(jī)的大電流 要求。由于需要驅(qū)動(dòng)電路在接收到單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)時(shí)就能立即做出動(dòng)作因此使能端既 ENA、 ENB 引腳直接 +5v，即讓電機(jī)直使能。 . 圖 39 L298N 原理圖 圖 直流電機(jī)由驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的電壓和電流，通過(guò)改變加在電動(dòng)機(jī)上的電壓的平均值來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速、啟動(dòng)性能好 、 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大 、 可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī) 。 VCC 引腳可以接 +12V 電源用來(lái)給芯片和電動(dòng)機(jī)供電。 L298N 芯片有一個(gè)電源引腳 VCC 和接地引腳 GND。 L298N 是歐洲著名的SGS 公司的產(chǎn)品 ，為單塊集成電路、高電壓、高電流、四通道驅(qū)動(dòng)。 L298N 雙 H 橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 簡(jiǎn)介 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號(hào)通過(guò)電機(jī)控制芯片轉(zhuǎn)化為小車(chē)實(shí)際的動(dòng)作。 利用單片機(jī) 單片機(jī) 自帶的 PWM 控制器。 利用定時(shí)器。 當(dāng)用單片機(jī) I/O 口輸出 PWM信號(hào)時(shí)，可采用以下三種方法： 利用軟件延時(shí)。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比 D并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可將其近似地看成線性關(guān)系。而且采用 PWM 技術(shù)構(gòu)成的無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)．啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)基于 80C51 單片機(jī)的智能小車(chē)設(shè)計(jì) 15 無(wú)沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，改變電樞電壓可通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)，其中 PWM(脈寬調(diào)制 )便是常用 的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。 ● 與步進(jìn)電機(jī)相比，小體積較易獲得大功率。轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，轉(zhuǎn)速則隨電壓的變化而線性調(diào)節(jié)。 ● 線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。直流電機(jī)能夠?qū)⑤斎氲碾妷盒盘?hào)變成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變控制電壓即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，用途很廣泛，主要有如下優(yōu)點(diǎn) ： ● 寬廣的調(diào)速范圍。 常用的控制電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)兩大類。 ● 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)的特性相同，且運(yùn)行特性穩(wěn)定。從廣義上而言，直流電機(jī)特性的線性度基于 80C51 單片機(jī)的智能小車(chē)設(shè)計(jì) 14 和失靈區(qū)會(huì)直接影響到系統(tǒng)的精度。 ● 高精度。智能小車(chē)控制系統(tǒng)中對(duì)控制電機(jī)要求其體積小、重量輕、耗電少，另外還要求其有高可靠性、高精度和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，主要集中在以下幾個(gè)方面 ● 高可靠性。 LED 數(shù)碼管與單片機(jī)連接電路如圖 3－ 7所示。 CPU 送來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào)直接送入數(shù)碼管的段號(hào)碼，進(jìn)行數(shù)字顯示， 本次設(shè)計(jì)中采用了開(kāi)發(fā)板自帶的 ULN2020 作為數(shù)碼管的位選控制芯片，要控制右邊的數(shù)碼管中 的哪 個(gè)點(diǎn)亮只需要在 ULN2020 的 左邊的 A A A A4 端送入相應(yīng)的控制信號(hào)就可以點(diǎn)亮其中一位 。動(dòng)態(tài)掃描顯示即輪流向各位數(shù)碼管送出字形碼和相應(yīng)的位選，利用發(fā)光管的余輝和人眼視覺(jué)暫留作用，使人的感覺(jué)好像各位數(shù)碼管同時(shí)都在顯示。 圖 3－ 2 數(shù)碼管原理圖 圖 3－ 6 數(shù)碼管作為顯示部分 本電路采用四位一體共陰極數(shù)碼管，利用動(dòng)態(tài)掃描方式來(lái)完成顯示功能。我們分別把他命名為 a、 b、 c、 d、 e、f、 g、 dp。只要保證 RESET 為高電平的時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期，便能正常復(fù)位。圖中 C為上電復(fù)位電容，它是利用電容充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖中 S R2 構(gòu)成按鍵復(fù)位電路。其中電平復(fù)位是通過(guò) RST 端經(jīng)電阻與電源 Vcc 接通而實(shí)現(xiàn)的。 除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路中上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 80C51 的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)復(fù)位的條件是：必須使 RST/Vpd 或 RST 引腳 (9)加上持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期 (即 24個(gè)振蕩周期 )的高電平。 圖 3－ 4是單片機(jī)時(shí)鐘振蕩電路圖： 圖 3－ 4 單片機(jī)時(shí)鐘振蕩電路 單片機(jī)復(fù)位電路 單片機(jī)復(fù)位是使 CPU 和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作，例如復(fù)位后 PC＝ 0000H，使單片機(jī)從第 — 個(gè)單元取指令。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能靠 近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。電容值無(wú)嚴(yán)格要求，但電容取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響， CX CX2可在 20pF 到 100pF 之間取值，但在 60pF 到 70pF 時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 單片機(jī) 雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。 如圖 32 是本次設(shè)計(jì)用到的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板實(shí)物圖 。 1位機(jī)在開(kāi)關(guān)決策、邏輯電路仿真、過(guò)程控制方面非常有效；而 8位機(jī)在數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算處理方面有明顯的長(zhǎng)處。 由上可見(jiàn)， STC89C52 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強(qiáng)等特點(diǎn)。 ● 特殊功能寄存器 共有 21個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)的個(gè)功能 的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。 ● 串行口 1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式。 ● 中斷系統(tǒng) 具有 5個(gè)中斷源， 2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。 ● 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)為 128 個(gè)字節(jié)，片外最多可外擴(kuò)至 64k 字節(jié)，用來(lái)存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖 、標(biāo)志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。但對(duì)各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行 I/O 口、串行口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。利用 STC89C52 的 I/O 端口對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí) 判斷 監(jiān)控 來(lái) 控制 步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的反映 。 STC89C52 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě) 10000 次 以上 的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型 計(jì)算機(jī)的STC89C52 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 ● 用開(kāi)發(fā)板自帶的數(shù)碼管顯示時(shí)間、里程、以及到障礙物的距離。 ● 使用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。 ● 直接使用 鎳鎘 電池 提供基準(zhǔn)電源。 但是這樣供電會(huì)比較簡(jiǎn)單， 且能夠找到基本符合要求的鎳鎘充電電池來(lái)供電， 單片 機(jī)的開(kāi)發(fā)板上就有一個(gè) 7805 穩(wěn)壓芯片可以利用，這樣在實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較可行，因此決定采用 鎳鎘充電電池 供電。但是不如單電源方便靈活。 基于 80C51 單片機(jī)的智能小車(chē)設(shè)計(jì) 6 如果采用 雙電源供電。 考慮到本系統(tǒng) 只需要檢測(cè) 前面的 障礙物， 基本上 沒(méi)有十分復(fù)雜的環(huán)境。超聲波傳感器在避障的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。 用超聲波傳感器進(jìn)行避障。但是這種電路在戶外容易受陽(yáng)光的影響。當(dāng)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出低電平。 用漫反射式光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行避障。因此決定采用 L298N 控制直流電機(jī)。且由 L298N 結(jié)合單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)速 度的精確控制。 L298N 是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片 L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，成本低，加速能力強(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運(yùn)行時(shí)，通過(guò)電阻的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。 綜合以 分析 選 用了 比較普通的 且 更為熟悉的 STC89C52 單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。其指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的 8051 系列單片機(jī)指令系統(tǒng)兼容，降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難度， 電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉 。本次利用的小車(chē)如 圖 22 所示： 圖 22 本次設(shè)計(jì)用到的小車(chē)實(shí)物圖 控制 芯片 的分析 選擇 凌陽(yáng)公司的 16 位單片機(jī)是 16 位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有語(yǔ)音處理、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，但我對(duì)這 種單片機(jī)并不熟悉，使用起來(lái)并不是很方便，這對(duì)于硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件編程增加了難度。 減速電機(jī)扭矩大，轉(zhuǎn)速較慢，易于控制和調(diào)速，符合避障小車(chē)的要求。 加速減速依靠后面的電機(jī)帶動(dòng)后面一組車(chē)輪完成。 此 玩具電動(dòng) 小 車(chē)采用普通直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶負(fù)載能力 稍差，調(diào)速方面對(duì)程序要求較高。 總體設(shè)計(jì)框圖 本系統(tǒng)基本框圖 21所示 ： 圖 21 總體設(shè)計(jì)框圖 各模塊分析選擇 小車(chē)部分分析 在 本 設(shè)計(jì) 中采用了實(shí)驗(yàn)室提供的玩具 電動(dòng)車(chē) 。當(dāng)小車(chē)又檢測(cè)到障礙物時(shí)，說(shuō)明剛才向左轉(zhuǎn)的動(dòng)作行不通，此時(shí)就要求小車(chē)退后，一定時(shí)間以后再向右轉(zhuǎn)，然后再檢測(cè)障礙，如果又遇到障礙物就停車(chē)。